Quincena6

6 Trabajo y energía

Objetivos Antes de empezar

En esta quincena aprenderás a:
1. La energía …………………………………. pág. 124
La energía a través de la historia
• Relacionar trabajo y energía. Concepto de energía
• Conocer los tipos de energías que Energía cinética
existen. Energía potencial
• Explicar en qué consiste la energía
2. El trabajo ………………………………….. pág. 128
mecánica y reconocer los aspectos
en que se presenta.
Concepto de trabajo
El trabajo y la energía cinética
• Conocer algunas transformaciones El trabajo y la energía potencial
de energía que se producen a tu El trabajo y la energía mecánica
alrededor. La potencia
• Explicar la conservación de la
energía en los sistemas físicos. 3. Tipos de energías ……………………… pág. 132
Energía térmica
• Conocer las distintas fuentes de
Energía eléctrica
energía.
Energía radiante
• Comprender el significado de la Energía química
degradación de la energía. Energía nuclear

4. Transformaciones de la energía . pág. 134
Transformaciones
Principio de conservación
Degradación de la energía

5. Fuentes de energía …………………… pág. 136
Fuentes de energía
Energías renovables
Energías no renovables
Consumo de energía

Ejercicios para practicar

Para saber más

Resumen

Autoevaluación

Actividades para enviar al tutor

FÍSICA Y QUÍMICA 121

Trabajo y energía
Antes de empezar

La energía
En todos estos fenómenos hay algo en común: LA ENERGÍA. La energía se
puede manifestar de muy diversas formas: Energía térmica, eléctrica,
muscular, potencial, química, cinética, eléctrica, nuclear, etc.

La importancia de la energía es evidente, por ello la humanidad ha ido
ingeniando inventos a lo largo de la historia para su utilización de forma
eficiente.

Investiga

¿Qué es el efecto invernadero?

¿Qué relación tiene con la energía?

¿Qué acciones habría que tomar para
conseguir disminuir este efecto?


Trabajo y energía

1. La energía
- 2.000 a. C.: El ser humano
La energía a través de la historia inventa la vela, una forma de
aprovechar la energía eólica para
El ser humano, desde sus primeros pasos en la Tierra navegar.
y a través de la historia, siempre ha buscado formas
de utilizar la energía para obtener una mejor calidad
de vida.

Para ello ha hecho uso de diversas formas de energía:
fuego (energía química), velas y molinos (energía del
viento o eólica), ruedas hidráulicas (energía del agua
o hidráulica), carbón (energía química), petróleo - 50 a. C.: El ser humano inventa
(energía química), nuclear (energía nuclear), etc. la rueda hidráulica y el molino de
viento, lo que supone una forma
El ser humano siempre ha buscado formas de de aprovechar la energía
obtener energía. hidráulica del agua y la eólica del
viento.
Históricamente:

- 350.000 a. C.: El ser humano descubre el fuego.
Esto le permitió poder calentarse, cocinar los
alimentos y alejar a las bestias.

- 1.712: Se inventa la máquina
de vapor. Esto supone un
enorme avance en la Industria y
en el transporte.

- 9.000 a. C.: El ser humano domestica animales para - 1.900-1.973: Entre 1900 y
poder comer y para utilizarlos como ayuda en el 1917 el consumo de energía
trabajo. aumenta enormemente, siendo el
carbón la principal fuente de
energía. Entre 1917 y 1973
disminuye el consumo de carbón
y aumenta notablemente el de
petróleo. El petróleo, además,
era fuente de muchas otras
sustancias.

- 3.500 a. C.: El ser humano inventa la rueda. Otra - 1.973-1.985: Fuerte crisis
forma de emplear la energía en beneficio propio. energética: el petróleo comienza
a agotarse y se comienzan a usar
otras energías: nuclear,
hidroeléctrica, eólica, solar, etc.

124 FÍSICA Y QUÍMICA

Trabajo y energía
Concepto de energía
Unidades de energía
En la naturaleza se observan contínuos cambios y
cualquiera de ellos necesita la presencia de la - En el Sistema Internacional (S.
energía: para cambiar un objeto de posición, para I.) la energía se mide en julios
mover un vehículo, para que un ser vivo realice sus (J). 1 J es, aproximadamente, la
actividades vitales, para aumentar la temperatura de energía que hay que emplear
un cuerpo, para encender un reproductor de MP3, para elevar 1 metro un cuerpo
para enviar un mensaje por móvil, etc. de 100 gramos.
- Caloría (cal): Cantidad de
La energía es la capacidad que tienen los cuerpos energía necesaria para
para producir cambios en ellos mismos o en otros aumentar 1 ºC la temperatura
cuerpos. de 1 g de agua. 1 cal = 4,18 J.
- Kilovatio-hora (kWh): Es la
La energía no es la causa de los cambios.
energía desarrollada por la
potencia de 1000 vatios durante
Las causas de los cambios son las interacciones y, su 1 hora. 1 kWh = 3.600.000 J.
consecuencia, las transferencias de energía.
- Tonelada equivalente de
carbón: (tec): Es la energía
que se obtiene al quemar 1000
La energía cinética kg de carbón. 1 tec =
29.300.000 J
La energía cinética es la energía que tienen los
- Tonelada equivalente de
cuerpos por el hecho de estar en movimiento. Su
petróleo (tep): Es la energía
valor depende de la masa del cuerpo (m) y de su
que se obtiene al quemar 1000
velocidad (v).
kg de petróleo. 1 tep =
41900000 J
- Kilojulio y kilocaloría (kJ y
kcal): Son, respectivamente,
1000 J y 1000 cal. Se usan con
La energía cinética se mide en julios (J), la masa en frecuencia debido a los valores
kilogramos (kg) y la velocidad en metros por segundo tan pequeños de J y cal.
(m/s).

La energía cinética del viento es utilizada para mover
el rotor hélice de un aerogenerador y convertir esa
energía en energía eléctrica mediante una serie de
procesos. Es el fundamento de la cada vez más
empleada energía eólica.

La energía cinética es un tipo de energía mecánica. La
energía mecánica es aquélla que está ligada a la
posición o al movimiento de los cuerpos. Por ejemplo,
es la energía que posee un arco que está tensado o
un coche en movimiento o un cuerpo por estar a
cierta altura sobre el suelo.


Trabajo y energía
Energía potencial
Es la energía que tienen los cuerpos por ocupar una
determinada posición. Podemos hablar de energía
potencial gravitatoria y de energía potencial elástica.

La energía potencial gravitatoria es la energía que
tiene un cuerpo por estar situado a una cierta altura
sobre la superficie terrestre. Su valor depende de la
masa del cuerpo (m), de la gravedad (g) y de la
altura sobre la superficie (h).

La energía potencial se mide en julios (J), la masa en
kilogramos (kg), la aceleración de la gravedad en
metros por segundo al cuadrado (m/s2) y la altura en
metros (m).

Por ejemplo, una piedra al borde de un precipicio
tiene energía potencial: si cayera, ejercería una
fuerza que produciría una deformación en el suelo.

La energía potencial elástica es la energía que
tiene un cuerpo que sufre una deformación. Su valor
depende de la constante de elasticidad del cuerpo (k)
y de lo que se ha deformado (x).

La energía potencial elástica se mide en julios (J), la
constante elástica en newtons/metro (N/m) y el
alargamiento en metros (m).

Por ejemplo, cuando se estira una goma elástica,
almacena energía potencial elástica. En el momento
en que se suelta, la goma tiende a recuperar su
posición y libera la energía. En esto se basa la forma
de actuar de un tirachinas.


Trabajo y energía

EJERCICIOS RESUELTOS
1. Calcula la energía cinética de un vehículo de 1000 kg de masa que circula a una
velocidad de 120 km/h.

Solución: Se extraen los datos del enunciado. Son los siguientes:
m = 1000 kg
v = 120 km/h
Ec = ?

Todas las magnitudes deben tener unidades del SI, en este caso es necesario convertir 120
km/h en m/s
km 1000 m 1h
v = 120 ⋅ ⋅ = 33,3 m / s
h 1 km 3600 s
Una vez que tenemos todas las magnitudes en el SI sustituímos en la fórmula:

Ec = 0,5 — m — v2 = 0,5 — 1000 — (33,3)2 = 554445 J

2. Calcula la energía potencial de un saltador de trampolín si su masa es de 50 kg y
está sobre un trampolín de 12 m de altura sobre la superficie del agua.
m = 50 kg
h = 12 m
Ep = ?

Todos los datos se encuentran en unidades del SI; por tanto, sustituimos en la fórmula:

Ep = m — g — h = 50 — 9,8 — 12 = 5880 J

3. Convierte las siguientes cantidades de energía a julios:
i. 3000 cal
ii. 25 kWh

Solución: Mediante factores de conversión realizamos los cambios correspondientes:

1J
3000 cal = 3000 cal ⋅ = 12500 J
0,24 cal
3600000 J
25 kWh = 25 kWh ⋅ = 90000000 J
1 kWh

4. Calcula la energía potencial elástica de un muelle que se ha estirado 0,25 m desde su
posición inicial. La constante elástica del muelle es de 50 N/m.

x = 0,25 m
k = 50 N/m
Ee = ?


Ee = 0,5 — k — x2 = 0,5 — 50 — (0,25)2 = 1,56 J


Trabajo y energía
2. El trabajo
Concepto de trabajo Coseno de un ángulo (cos α)
El Trabajo es una de las formas de transferencia En un triángulo rectángulo (aquél
(cuando dos cuerpos intercambian energía, lo hacen, que tiene un ángulo de 90º) se
o bien de forma mecánica, mediante la realización de definen unas razones entre cada
un trabajo, o bien de forma térmica, mediante el dos lados de dicho triángulo.
calor) de energía entre los cuerpos. Para realizar un
trabajo es preciso ejercer una fuerza sobre un cuerpo Estas razones se denominan
y que éste se desplace. razones trigonométricas y
aparecen definidas en la
El trabajo, W, depende del valor de la fuerza, F, siguiente imagen:
aplicada sobre el cuerpo, del desplazamiento, ∆x y del
coseno del ángulo α que forman la fuerza y el
desplazamiento.

W = F — cos α — ∆x
El trabajo, se mide en julios (J) en el SI, la fuerza en
newtons (N) y el desplazamiento en metros (m).

El trabajo de la fuerza de rozamiento

La fuerza de rozamiento es una fuerza que se opone
siempre al movimiento. Surge al tratar de desplazar
un objeto que se encuentra apoyado sobre otro. Por
tanto, siempre formará un ángulo de 180º con el
desplazamiento.

Wroz = Froz — cos 180º — ∆x = - Froz — ∆x

El trabajo de la fuerza de rozamiento siempre es
negativo. Por eso el rozamiento hace que el cuerpo El coseno de un ángulo se define
"gaste" energía cuando se desplaza. como el cociente entre el cateto
contiguo a ese ángulo y la
hipotenusa del triángulo.


Trabajo y energía
Demostración matemática del El trabajo modifica la energía cinética
teorema de las fuerzas vivas
El trabajo es la forma en que los cuerpos
Supongamos que un cuerpo está intercambian energía cuando existe una fuerza que
en movimiento con velocidad v1, provoca un desplazamiento. Por ello, si se realiza un
en una superficie horizontal (Este trabajo sobre un cuerpo, se modifica su energía
cuerpo poseerá una energía mecánica.
cinética Ec1) y recibe la acción de
una fuerza constante, F, que le La variación de la energía cinética a
hace adquirir una cierta consecuencia del trabajo recibe el nombre de
velocidad v2 distinta a la inicial. Teorema de las fuerzas vivas.

El trabajo de la fuerza, F, será: Teorema de las fuerzas vivas: La variación de
W = F—cos α—∆x. Al ser una fuerza energía cinética que experimenta un cuerpo es igual
horizontal, α = 0; por tanto, W = al trabajo realizado por la fuerza resultante que actúa
F—∆x sobre él.

Aplicando la 2ª Ley de Newton a
la fuerza: W = m—a—∆x
W = ∆Ec = Ec2 - Ec1

Al ser la aceleración constante,
pues lo es la fuerza, se aplican
las ecuaciones del M.R.U.A. El trabajo modifica la energía potencial
vistas en la quincena 1:
De la misma forma que el trabajo puede modificar la
v2 = v1+a—t; a = (v2 – v1)/t energía cinética de un cuerpo, también puede
modificar su energía potencial.
∆x = v1—t + 0,5—a—t2
Cuando sobre un cuerpo actúa una fuerza vertical que
Sustituyendo a en ∆x: le hace desplazarse en esa misma dirección con
velocidad constante, el trabajo desarrollado coincide
∆x = v1—t + 0,5—(v2 – v1) — t con la variación de energía potencial que
experimenta el cuerpo.
Por tanto: ∆x = (v1 + v2)—t/2

Sustituyendo a y ∆x en la W = ∆Ep = Ep2 - Ep1
expresión del trabajo llegamos a:

W = m—a—∆x = Demostración matemática
= m — (v2-v1)/t — (v1+v2)—t/2
Si queremos subir un cuerpo desde una altura h1
Efectuando las operaciones:
hasta otra h2, con velocidad constante, debemos
ejercer una fuerza F, igual y de sentido contrario al
W = m—(v22-v12)/2
peso del cuerpo.
Que es la expresión matemática
El trabajo de la fuerza es: W = F—cos α—∆x. Como
del teorema de las fuerzas vivas.
fuerza y subida coinciden en dirección y sentido, α =
0º; por tanto, W = F—∆x
1
W= · m · (v 2 − v12 )
2

2 En este caso, ∆x = h2- h1; luego, W = F—(h2-h1) =
m—g—(h2-h1); por tanto, tenemos que:

W = m—g—(h2 – h1) = Ep2 – Ep1


Trabajo y energía
El trabajo de la fuerza peso El trabajo modifica la energía mecánica
La fuerza peso es una fuerza Son innumerables los casos en los que el trabajo
cuyo sentido es vertical y hacia la modifica, simultáneamente, la energía cinética y la
Tierra. Por tanto, si pretendemos energía potencial de un cuerpo. Es decir, modifica la
subir un cuerpo, formará un energía mecánica en su conjunto.
ángulo de 180º con el
desplazamiento. Si sobre un cuerpo actúa una fuerza que provoca
cambios en su velocidad y en su posición, el trabajo
WP = P — cos 180º — ∆x = - P — de esa fuerza será igual a la variación de energía
∆x = - m — g — (h2 - h1) = m — g — mecánica que sufre el cuerpo.
h1 - m — g — h2; Por tanto: WP =
Ep1 - Ep2 = - ∆Ep
W = ∆EM = (Ep2+Ec2)-(Ec1+ Ep1)
WP = - ∆Ep El Trabajo es una de las formas de transferencia
(cuando dos cuerpos intercambian energía, lo hacen,
El trabajo debido al peso es igual o bien de forma mecánica, mediante la realización de
y de signo contrario a la un trabajo, o bien de forma térmica, mediante el
variación de energía potencial del calor) de energía
cuerpo.

La potencia
La potencia y la velocidad
La Potencia es una magnitud que nos relaciona el
En las máquinas que están trabajo realizado con el tiempo empleado en hacerlo.
destinadas a producir
movimiento como, por ejemplo,
Si una máquina realiza un trabajo, no sólo importa la
los coches, es importante
cantidad de energía que produce, sino también el
relacionar la potencia con la
tiempo que tarda en hacerlo. Por ejemplo, decimos
velocidad que son capaces de
que un coche es más potente si es capaz de pasar de
alcanzar.
0 a 100 km/h en un menor tiempo.

W F ·∆x
P= = = F ·v
t t

El motor del automóvil es capaz
de desarrollar una potencia La potencia se mide en vatios (W) en el SI, el trabajo
máxima. La fuerza que en julios (J) y el tiempo en segundos (s).
proporciona el motor en un
instante va a depender de la En el mundo del motor se usa con frecuencia otra
velocidad a la que se mueva el unidad para medir la potencia: el caballo de vapor
coche. Cuando queremos ir a alta (CV).
velocidad, el coche lleva poca
fuerza, lo cual no es 1 CV = 736 W
recomendable para subir
carreteras con pendiente. Para
estos casos es necesario usar
una marcha corta, que
proporcione más fuerza a costa
de perder velocidad.


Trabajo y energía

5. Explica si realizas, o no, trabajo cuando:
a) Empujas una pared
b) Sostienes un libro a 2 metros de altura
c) Desplazas un carrito hacia delante

Solución:
a) Al empujar una pared se hace fuerza pero no se produce ningún desplazamiento; por lo
cual, el trabajo es nulo.
b) Haces una fuerza sobre el libro para sostenerlo pero no se desplaza, por tanto, el trabajo
es nulo.
c) En este caso hay fuerza y desplazamiento e irán en el mismo sentido y dirección, por lo
que el trabajo es positivo y máximo.

6. Una fuerza de 100 N actúa sobre un cuerpo que se desplaza a lo largo de un plano
horizontal en la misma dirección del movimiento. Si el cuerpo se desplaza 20 m.
¿Cuál es el trabajo realizado por dicha fuerza?
F = 100 N
α = 0º
∆x = 20 m
W=?


W = F — cos α — ∆x = 100 — 1 — 20 = 2000 J

7. Un escalador con una masa de 60 kg invierte 30 s en escalar una pared de 10 m de altura.
Calcula:
a) El peso del escalador
b) El trabajo realizado en la escalada
c) La potencia real del escalador

m = 60 kg
t = 30 s
h = 10 m

a) El peso se calcula mediante la 2ª Ley de Newton P = m — g = 60 — 9,8 = 588 N

b) En la escalada, la fuerza que debe hacer el escalador debe ser igual a su peso y con
sentido hacia arriba; por tanto, fuerza y desplazamiento tienen igual dirección y sentido,
el ángulo entre ellos es 0º. W = F — cos α — ∆x = 588 — 1 — 10 = 5880 J

c) La potencia se calcula realizando el cociente entre el trabajo realizado y el tiempo
empleado: P = W/t = 5880 / 30; P = 196 W

Concepto de trabajo


Trabajo y energía
3. Tipos de energía
Energía térmica

La Energía térmica se debe al movimiento de las
partículas que constituyen la materia. Un cuerpo a
baja temperatura tendrá menos energía térmica que
otro que esté a mayor temperatura.

Un cuerpo posee mayor cantidad de energía térmica
cuanto más rápido es el movimiento de sus
partículas.

La transferencia de energía térmica desde un cuerpo
a mayor temperatura (mayor velocidad de sus
partículas) hasta un cuerpo a menor temperatura
(menor velocidad de sus partículas) se denomina
calor.

Energía eléctrica

La Energía eléctrica es causada por el movimiento
de las cargas eléctricas en el interior de los materiales
conductores. Esta energía produce,
fundamentalmente, tres efectos: luminoso, térmico y
magnético. Por ejemplo, la transportada por la
corriente eléctrica en nuestras casas y que se
manifiesta al encender una bombilla.

La energía eléctrica se manifiesta como corriente
eléctrica, mediante movimiento de electrones en un
circuito.

La energía eléctrica es muy utilizada, ya que permite
su transformación en energía térmica, lumínica,
mecánica,...

Energía radiante

La Energía radiante es la que poseen las ondas
electromagnéticas como la luz visible, las ondas de
radio, los rayos ultravioleta (UV), los rayos infrarrojo
(IR), etc. La característica principal de esta energía es
que se puede propagar en el vacío, sin necesidad de
soporte material alguno. Ejemplo: La energía que
proporciona el Sol y que nos llega a la Tierra en forma
de luz y calor.

La energía radiante es energía electromagnética
que puede viajar en el vacío.

La energía radiante es un conjunto de ondas
electromagnéticas que viajan a la velocidad de la luz.


Trabajo y energía

Energía química

Es la energía que poseen las sustancias químicas y
puede ponerse de manifiesto mediante una reacción
química.

Las reacciones químicas se clasifican en exotérmicas y
endotérmicas.

Una reacción exotérmica es aquélla que libera
energía.

Una reacción endotérmica es aquélla que absorbe
energía.

La combustión de sustancias como el butano es un
ejemplo de reacción exotérmica. La energía liberada
se emplea en calentar agua. Por el contrario, las
reacciones endotérmicas se emplean cuando se desea
enfriar algo.

Energía nuclear
La fisión nuclear es un proceso
Es la energía que proviene de las reacciones nucleares en el que un núcleo de un átomo
o de la desintegración de los núcleos de algunos de uranio o plutonio se rompe en
átomos. dos núcleos más pequeños,
libera neutrones (que rompen
Las reacciones nucleares que liberan energía son: la otros núcleos) y grandes
de fisión nuclear y la de fusión nuclear. cantidades de energía.

En estas reacciones se produce energía por la relación
de equivalencia existente entre la masa y la energía:

E = m — c2
E es la energía, se mide en julios (J), m es la masa y
se mide en kilogramos (kg) y c es la velocidad de la
luz (300.000.000 m/s)..

La fusión nuclear es un proceso en el que 2 átomos
pequeños se unen, dando lugar a un átomo más
grande y al desprendimiento de gran cantidad de
energía. Así obtienen energía las estrellas.


Trabajo y energía

4. Transformaciones de la
energía
Transformaciones de la energía

La Energía se encuentra en una constante
transformación, pasando de unas formas a otras. La
energía siempre pasa de formas "más útiles" a formas
"menos útiles". La utilidad se refiere a capacidad para
poder realizar un trabajo.

Las transformaciones de energía están presentes
en todos los fenómenos que ocurren en la naturaleza.

Por ejemplo, el motor de un coche produce un cambio
de energía química (contenida en la gasolina y
liberada en su combustión) en energía cinética.

Principio de conservación de la energía

El Principio de conservación de la energía indica
que la energía no se crea ni se destruye; sólo se
transforma de unas formas en otras. En estas
transformaciones, la energía total permanece
constante; es decir, la energía total es la misma antes
y después de cada transformación.

En el caso de la energía mecánica se puede concluir
que, en ausencia de rozamientos (si existe
rozamiento, parte de la energía se degrada en forma
de calor y la energía mecánica del sistema no se
conserva) y sin intervención de ningún trabajo
externo, la suma de las energías cinética y potencial
permanece constante. Este fenómeno se conoce con
el nombre de Principio de conservación de la
energía mecánica.

Em = Ec + Ep = constante


Trabajo y energía

Degradación de la energía. Rendimiento En cualquier proceso en el que se
produce una transferencia de
Unas formas de energía pueden transformarse en energía, nunca se produce al 100
otras. En estas transformaciones la energía se %. Parte de la energía aplicada
degrada, pierde calidad. En toda transformación, se “pierde” debido al rozamiento,
parte de la energía se convierte en calor o energía a choques, a vibraciones, …
térmica.
El rendimiento nos mide la
Cualquier tipo de energía puede transformarse energía útil de un proceso
íntegramente en calor; pero, éste no puede respecto a la energía empleada.
transformarse íntegramente en otro tipo de energía. Se expresa en % y siempre es
Se dice, entonces, que el calor es una forma menor al 100 %, además no
degradada de energía. tiene unidades.

Se define, por tanto, el Rendimiento como la Es muy importante que el
relación (en % por ciento) entre la energía útil rendimiento sea alto, ya que de
obtenida y la energía aportada en una esta forma la energía se emplea
transformación. en el proceso deseado y no se
“pierde” en otras formas de
energía menos “útiles”, tales
como la energía calorífica.

8. El motor de una lavadora tiene una potencia teórica de 1500 W. Si su rendimiento
es del 70 %.
a) ¿Cuál es su potencia real?
b) ¿Qué trabajo habrá realizado si ha estado en funcionamiento durante 30 min?

R = 75 %
Pteórica = 1500 W

a) Se aplica la fórmula del rendimiento: R = (Preal/Pteórica)—100; Preal = R — Pteórica/100;
Preal = 75—1500/100 = 1125 W es la potencia real de este motor.
b) Para calcular el trabajo realizado en 30 min debemos tener en cuenta la potencia real. Por
tanto: Preal = W /t; W = Preal — t = 1125 — 1800 = 2025000 J

9. Un cuerpo de cierta masa está en reposo a una altura determinada y se deja caer
libremente.
a) ¿Qué energía tiene cuando está en reposo a una altura determinada?
b) ¿Qué ocurre con la energía cinética durante la caída?
c) ¿Qué energía tiene cuando llega al suelo?

a) Al estar en reposos y a cierta altura toda su energía es Energía potencial gravitatoria.
b) Durante la caída, si no hay rozamiento o se desprecia, la energía mecánica se conserva,
luego la energía potencial disminuye y la energía cinética aumenta.
c) Al llegar al suelo la energía potencial es nula, por tanto, toda la energía es cinética, en la
misma cantidad que la energía potencial inicial.


Trabajo y energía

5. Fuentes de energía
Una fuente de energía es cualquier material o
recurso natural del cual se puede obtener energía,
bien para utilizarla directamente, o bien para
transformarla.

Las fuentes de energía se clasifican en dos grandes
grupos: renovables y no renovables; según sean
recursos "ilimitados" o "limitados".

Las fuentes de energía también se clasifican en
contaminantes (si generan residuos que contaminan,
como el carbón o el petróleo) y limpias (si no generan
residuos contaminantes, como la eólica o la solar).

Energías renovables

Las Fuentes de energía renovables son aquellas
que, tras ser utilizadas, se pueden regenerar de
manera natural o artificial. Algunas de estas fuentes
renovables están sometidas a ciclos que se mantienen
de forma más o menos constante en la naturaleza.

Existen varias fuentes de energía renovables, como
son:
• Energía mareomotriz (Mareas)
• Energía hidráulica (Embalses y presas)
• Energía eólica (Viento)
• Energía solar (Sol)
• Energía de la biomasa (Vegetación)

Energía mareomotriz

La Energía mareomotriz es la producida por el
movimiento de las masas de agua, generado por las
subidas y bajadas de las mareas, así como por las
olas que se originan en la superficie del mar por la
acción del viento.

Ventajas: Es una fuente de energía fácil de usar y de
gran disponibilidad.

Inconvenientes: Sólo pueden estar en zonas
marítimas, pueden verse afectadas por desastres
climatológicos, dependen de la amplitud de las
mareas y las instalaciones son grandes y costosas.

El coste económico y ambiental de instalar los
dispositivos para su proceso han impedido una
proliferación notable de este tipo de energía.


Trabajo y energía
Energía hidráulica

La Energía hidráulica es la producida por el agua
retenida en embalses o pantanos a gran altura (que
posee energía potencial gravitatoria). Si en un
momento dado se deja caer hasta un nivel inferior,
esta energía se convierte en energía cinética y,
posteriormente, en energía eléctrica en la central
hidroeléctrica.

Ventajas: Es una fuente de energía limpia, sin
residuos y fácil de almacenar. Además, el agua
almacenada en embalses situados en lugares altos
permite regular el caudal del río.

Inconvenientes: La construcción de centrales
hidroeléctricas es costosa y se necesitan grandes
tendidos eléctricos. Además, los embalses producen
pérdidas de suelo productivo y fauna terrestre debido
a la inundación del terreno destinado a ellos.

Energía eólica

La Energía eólica es la energía cinética producida
por el viento. se transforma en electricidad en unos
aparatos llamados aerogeneradores (molinos de
viento especiales).

Ventajas: Es una fuente de energía inagotable y, una
vez hecha la instalación, gratuita. Además, no
contamina: al no existir combustión, no produce lluvia
ácida, no contribuye al aumento del efecto
invernadero, no destruye la capa de ozono y no
genera residuos.

Inconvenientes: Es una fuente de energía
intermitente, ya que depende de la regularidad de los
vientos. Además, los aerogeneradores son grandes y
caros.


Trabajo y energía

Energía solar

La Energía solar es la que llega a la Tierra en forma
de radiación electromagnética (luz, calor y rayos
ultravioleta principalmente) procedente del Sol, donde
ha sido generada por un proceso de fusión nuclear. El
aprovechamiento de la energía solar se puede realizar
de dos formas: por conversión térmica (consiste en
transformar la energía solar en energía térmica
almacenada en un fluído) de alta temperatura
(sistema fototérmico) y por conversión fotovoltáica
(consiste en la transformación directa de la energía
luminosa en energía eléctrica) (sistema fotovoltaico).

Ventajas: Es una energía no contaminante y
proporciona energía barata en países no
industrializados.

Inconvenientes: Es una fuente energética
intermitente, ya que depende del clima y del número
de horas de Sol al año. Además, su rendimiento
energético es bastante bajo.

Energía de la biomasa

La Energía de la biomasa es la que se obtiene de
los compuestos orgánicos mediante procesos
naturales. Con el término biomasa se alude a la
energía solar, convertida en materia orgánica por la
vegetación, que se puede recuperar por combustión
directa o transformando esa materia en otros
combustibles, como alcohol, metanol o aceite.
También se puede obtener biogás, de composición
parecida al gas natural, a partir de desechos
orgánicos.

Ventajas: Es una fuente de energía limpia y con
pocos residuos que, además son biodegradables.
También, se produce de forma continua como
consecuencia de la actividad humana.

Inconvenientes: Se necesitan grandes cantidades
de plantas y, por tanto, de terreno. Se intenta
"fabricar" el vegetal adecuado mediante ingeniería
genética. Su rendimiento es menor que el de los
combustibles fósiles y produce gases, como el dióxido
de carbono, que aumentan el efecto invernadero.


Trabajo y energía
Energías no renovables Consumo de energía

Las Fuentes de energía no renovables proceden Las personas empleamos la
de recursos que existen en la naturaleza de forma energía contínuamente, para
limitada y que pueden llegar a agotarse con el cualquier actividad que
tiempo. Las más importantes son: realizamos: desde desplazarnos
con el coche hasta enfriar los
• Combustibles fósiles (Petróleo, carbón y gas alimentos con el frigorífico. Es
natural). responsabilidad de todos el no
• Energía nuclear (Fisión y fusión nuclear). desperdiciar la energía, teniendo
un consumo mucho más
responsable: no dejar las luces
encendidas, usar la lavadora a
Combustibles fósiles carga completa, emplear el
transporte público, etc.
Los Combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas
natural) son sustancias originadas por la acumulación,
Toda la energía que consumimos
hace millones de años, de grandes cantidades de
requiere una obtención y, para
restos de seres vivos en el fondo de lagos y otras
ello, hay que contaminar,
cuencas sedimentarias.
generar residuos, etc., lo cual
provoca daños medioambientales
Ventajas: Es una fuente de energía fácil de usar y de que nos afectan a todos. Uno de
gran disponibilidad. los problemas medioambientales
más preocupantes es el efecto
Inconvenientes: Emisión de gases contaminantes invernadero. Los países
que aceleran el "efecto invernadero" y el probable industrializados firmaron en 1997
agotamiento de las reservas en un corto-medio plazo. el protocolo de Kioto para
combatirlo.
El combustible fósil puede usarse quemándolo para
obtener energía térmica o movimiento y también El efecto invernadero es un
puede emplearse para obtener electricidad en fenómeno por el cual
centrales térmoeléctricas. determinados gases retienen
parte de la energía que el suelo
emite por haber sido calentado
por la radiación solar. Este efecto
Energía nuclear se está viendo acelerado por la
emisión de CO2 por parte de
La Energía nuclear es la energía almacenada en el numerosas centrales energéticas
núcleo de los átomos, que se desprende en la en la combustión de carbón,
desintegración de dichos núcleos. petróleo o gas natural.

Una central nuclear es una central eléctrica en la El protocolo de Kioto es un
que se emplea uranio-235, que se fisiona en núcleos acuerdo internacional que tiene
de átomos más pequeños y libera una gran cantidad por objetivo reducir las emisiones
de energía, la cual se emplea para calentar agua que, de varios gases que aumentan el
convertida en vapor, acciona unas turbinas unidas a efecto invernadero y son
un generador que produce la electricidad. responsables del calentamiento
global del planeta.
Ventajas: Pequeñas cantidades de combustible
producen mucha energía.

Inconvenientes: Se generan residuos radiactivos de
difícil eliminación.


Trabajo y energía

Para practicar

1. Un cuerpo transfiere a otro 645,23 10. Un saltador de pértiga de 65 kg
cal. ¿Cuántos julios son? alcanza una velocidad máxima de 8
m/s. Si la pértiga permite transformar
2. Una persona ingiere 1048,37 kcal en su toda la energía cinética en potencial:
dieta. Expresa esa cantidad de energía en a) ¿Hasta qué altura podrá elevarse?
unidades SI.
b) ¿Cuál es la energía en el momento
3. Calcula el trabajo que realizará una de caer a la colchoneta?
fuerza de 392 N que desplaza a un c) ¿Cuál es su velocidad en ese
cuerpo unja distancia de 7 m, si entre momento?
la fuerza y el desplazamiento forman
un ángulo de 52º.
11. Una máquina realiza un trabajo de
4. Calcula el trabajo que realiza la fuerza 641 J con un rendimiento del 6 %.
de rozamiento sobre un cuerpo de 13 Calcula el trabajo útil que realmente
kg que se desplaza una distancia de se obtiene.
46 m si el coeficiente de rozamiento
entre las superficies es de 0,45.
12.

5. Calcula la energía cinética de un a) Calcula el trabajo que realiza el
coche de 1294 kg que circula a una motor de un ascensor en una atracción
velocidad de 58 km/h. para subir 1417 kg, que es la masa del
ascensor más los pasajeros, hasta una
6. Un vehículo de 1104 kg que circula altura de 30 m.
por una carretera recta y horizontal b) ¿Cuál es la potencia desarrollada por
varía su velocidad de 17 m/s a 7 m/s. el motor si tarda en subir 24 s?
¿Cuál es el trabajo que realiza el
motor?
7. ¿Qué energía potencial posee una 13. Un cuerpo de 10 kg cae desde una
roca de 143 kg que se encuentra en altura de 20 m. Calcula:
un acantilado de 19 m de altura sobre a) La energía potencial cuando está a
el suelo? una altura de 10 m.

8. Calcula la energía potencial elástica b) La velocidad que tienen en ese
de un muelle sabiendo que su mismo instante.
constante elástica, k, es de 336 N/m c) El trabajo que efectúa cuando llega
y que se ha comprimido 4 cm desde al suelo.
su longitud natural.
d) La velocidad con que llega al suelo.

9. Calcula el trabajo necesario para subir
un cuerpo de 85 kg, a velocidad 14. Un motor realiza un trabajo de 3000 J
constante, desde una altura de 11 m en 20 s
hasta una altura de 16 m.
a) ¿Cuál es la potencia del motor?
b) ¿En cuánto tiempo desarrollaría el
mismo trabajo una máquina de 15 W?


Trabajo y energía
Para saber más

Equivalencia masa-energía

Albert Einstein (1879-1955) estableció, en 1905, el La Tierra, recibe luz y calor
principio de equivalencia masa-energía que se resumía del Sol. Al calentarse, la
con su famosa ecuación E = m—c2 y que establecía una Tierra emite este calor en
relación de enorme importancia entre la masa, m, y la forma de rayos de luz
energía, E. De tal manera que la energía podría infrarroja y este calor es en
convertirse en masa y la masa en energía. Ello significa parte lanzado al espacio y en
que si pudiéramos convertir 1 gramo de materia en su parte absorbido por los
equivalente en energía y la usáramos para encender una gases invernadero que
bombilla de 1.000 W, ésta permanecería encendida evitan que la Tierra se
durante un tiempo de 2.853 años. enfríe. Como decía el
Esta conversión sólo ocurre parcialmente en reacciones astrónomo estadounidense
nucleares. En las reacciones químicas comunes también Carl Sagan (1934-1996) en
se libera energía desapareciendo masa; pero, la energía su libro "Miles de millones"
liberada es tan pequeña que la pérdida de masa es (1997), "la vida depende de
insignificante. Deberían quemarse 2.500.000 litros de un equilibrio delicado de
gasolina para producir la pérdida de 1 gramo de masa. gases invisibles que son
componentes menores de la
La primera bomba atómica que se lanzó ocurrió un 16 de atmósfera terrestre. Un poco
Junio de 1945 en el campo de pruebas de Trinity, cerca de efecto invernadero es
de Álamo Gordo (Nuevo Méjico). Poseía una fuerza bueno. Ahora bien, si
destructiva de 20 kilotones, es decir, equivalente a 20 añadimos más gases de
toneladas de TNT (dinamita). Esta bomba estaba éstos, como hemos estado
constituida de uranio, al igual que se lanzaría poco haciendo desde el inicio de
después sobre Hiroshima. Con el nombre de “little Boy” la Revolución Industrial,
(chico pequeño), sólo necesitó convertir un gramo de absorberán más radiación
masa (aunque toda la bomba como mecanismo pesara infrarroja. Estamos haciendo
cuatro toneladas) para producir una potencia de 12´5 más gruesa la manta, y con
kilotones. Produjo la muerte de 120.000 personas de una ello calentando más la
población de 450.000 habitantes, causando otros 70.000 Tierra". Estos gases se
heridos. generan, principalmente, por
la quema de combustibles
Para favorecer el uso de las fuentes renovables de fósiles y son: dióxido de
energía, la Unión Europea se ha propuesto cubrir para el carbono (CO2), metano
año 2.010 un millón de tejados de todo el continente con (CH4), óxido nitroso (N2O),
paneles fotovoltaicos. Las células de estos paneles hidrofluorocarbonos (HFC),
convierten la radiación solar directamente en polifluoruros de carbono
electricidad, sin consumo de combustibles ni emisiones (PFC) y hexafluoruro de
contaminantes. azufre (SF6).

Un rayo puede producir 3.750.000.000 kilovatios de
energía eléctrica. Alrededor del 75% de esta energía se
disipa en forma de calor, elevando la temperatura
circundante a unos 15.000 grados centígrados y
causando la expansión rápida del aire, lo cual produce
ondas de sonido (truenos) que pueden ser oídas a 30
kilómetros de distancia.


Trabajo y energía

Recuerda
lo más importante

La Energía El Trabajo
Es una propiedad de los cuerpos que les Es la energía que se transfiere de un
permite producir cambios en ellos mismos o cuerpo a otro por medio de una fuerza
en otros cuerpos. En el Sistema Internacional que provoca un desplazamiento. En el SI
se mide en julios (J). se mide en julios (J). W = F — cos α — ∆x

Propiedades de la energía El trabajo modifica la energía
- La energía se transfiere. cinética.
- La energía se almacena y transporta. Al actuar sobre un cuerpo una fuerza que
- La energía se transforma. le provoca un desplazamiento en su
- La energía se degrada. misma dirección, el trabajo coincide con
- La energía se conserva. la variación de energía cinética del
cuerpo. W = ∆Ec

Tipos de energía El trabajo modifica la energía
- Energía cinética: Movimiento. potencial.
- Energía potencial: Posición. Al actuar sobre un cuerpo una fuerza
- Energía térmica: Movimiento de partículas. vertical que le hace desplazarse en esa
- Energía eléctrica: Movimiento de cargas. dirección a velocidad constante, el
- Energía radiante: Ondas electromagnéticas. trabajo coincide con la variación de
- Energía química: Enlaces químicos. energía potencial del cuerpo. W = ∆Ep
- Energía nuclear: Núcleos de átomos.

Principio de conservación de la energía El trabajo modifica la energía
mecánica mecánica.
Si la única fuerza que actúa sobre un cuerpo Al actuar sobre un cuerpo una fuerza que
es su peso, su energía mecánica se mantiene le provoca cambios en velocidad y
constante. posición, el trabajo coincide con la
variación de energía mecánica del
cuerpo. W = ∆Em

Fuentes de energía renovables La Potencia
- Energía mareomotriz. Relaciona el trabajo realizado con el
- Energía hidráulica. tiempo empleado en ello:
- Energía eólica. P = W/t
- Energía solar. En el SI se mide en vatios (W).
- Energía de la biomasa.∆x

Fuentes de energía no renovables El Rendimiento
- Carbón. Es la relación entre la energía aportada y
- Petróleo. la energía útil. Se mide en %.
- Gas natural.
- Energía nuclear de fisión.


Trabajo y energía
Autoevaluación

1. Determina el trabajo realizado al empujar, en el sentido de
su desplazamiento, durante 5 s, con una fuerza de 36,47 N,
un objeto de 5 kg de masa, inicialmente en reposo.
Considera despreciables los rozamientos.

2. Se deja caer una pelota de 247 g desde una ventana situada
a una altura de 15 m. Calcula la energía mecánica en el
punto inicial. Dato: g = 9,8 m/s2

3. Las personas consumimos energía que recibimos de los
alimentos. ¿Cuál es el consumo energético de una persona
de 17 kg al subir hasta una vivienda que está a 9 m de
altura.

4. Calcula la potencia de una máquina que realiza un trabajo de
15678 J en 25 s.

5. Una máquina de 843 J teóricos es capaz de hacer un trabajo
de 68 J. Calcula el rendimiento en % en la máquina.

6. Convierte 30,16 calorías en julios.

7. Calcula la energía cinética de un cuerpo de 194 kg de masa
que se mueve a una velocidad de 29 m/s.

8. Calcula el trabajo realizado por una fuerza de 807 N para
desplazar un cuerpo de 20 m. La fuerza y el desplazamiento
forman un ángulo de 39º.

9. Un cuerpo de 46 kg cae desde una altura de 11 m. Calcula la
velocidad con la que impacta en el suelo.

10. Calcula la energía potencial elástica de un resorte sabiendo
que su constante elástica es de 731 N/m y que se ha
estirado 35 cm desde su longitud natural.


Trabajo y energía
Soluciones de los ejercicios para practicar

1. 2697,06 J
11. 38,46 J
2. 4382186,6 J
12. a) 416598 J
3. 1690,36 J
b) 17358,25 W

4. –2679,41 J
13. a) 980 J
5. 167940,43 J b) 14 m/s

6. –132480 J c) 1960 J

7. 26626 J d) 19,8 m/s

8. 0,26 J 14. a) 150 W

9. 4165 J b) 100 s

10. a) 3 m

b) 2080 J

c) 8 m/s

Soluciones
AUTOEVALUACIÓN
1. 3325,15 J
2. 36 J
3. 1499 J
4. 627 W
5. 8 %
No olvides enviar las actividades al tutor
6. 125,66 J
7. 81577 J
8. 12546 J
9. 14 m/s
10. 44 J


ACTIVIDADES DE ESO

Nombre y apellidos del alumno: Curso: 4º

Quincena nº: 6 Materia: Física y Química

Fecha: Profesor de la materia:

1.- Una grúa con un motor de 10 CV eleva 1000 kg de hierro hasta
una altura de 50 m del suelo en 2 minutos.
a) Expresa la potencia del motor en W.
b) ¿Qué trabajo realiza el motor?
c) Calcula el rendimiento del motor.

2.- Un levantador de pesas consigue elevar 100 kg desde el suelo
hasta una altura de 2 m y los aguanta 10 segundos arriba.
Calcula el trabajo que realiza:
a) Mientras levanta las pesas.
b) Mientras las mantiene levantadas.

3.- Un coche de 1000 kg viaja a 90 km/h. Advierte un obstáculo en el
camino y debe frenar al máximo. Por las marcas del suelo se sabe
que la distancia de frenada fue de 120 m. ¿Cuánto valía la fuerza
de rozamiento entre el coche y la carretera?

4.- Un saltador de pértiga de 60 kg alcanza una velocidad máxima de
12 m/s. Suponiendo que la pértiga permita transformar toda la
energía cinética en potencial.
a) ¿Hasta que altura se elevará?
b) ¿Con qué energía caerá?
c) ¿Qué velocidad llevará?

cidead@mec.es C/. Torrelaguna, 58
28027 - Madrid
http://cidead.cnice.mec.es Tlf: 91 377 83 00
Fax: 91 377 83 14

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